电能的输送

电能的输送

詹雁，杨锡均

詹雁，杨锡均重庆市綦江中学重庆市綦江县401420

前面我们学习了变压器，知道正弦交流电可以方便地用变压器来改变电压．而电源电压的相对单一和用电设施的复杂多样，需要有能够方便地改变电压的设备，变压器的发明和大规模使用恰好满足了这种需要．而且变压器还给远距离输电带来了巨大效益．

远距离输电主要应把握以下思路：首先为什么要研究远距离输电？其次远距离输电都有哪些要求？第三怎样才能满足远距离输电的要求？

在我们的现实生活中电能的生产和消费之间的矛盾，促使我们要去思考和研究电能的输送．目前世界和我国电能的生产来看，火力发电、水力发电、核电是电能生产的主要形式．对于火电来讲煤炭资源可以长途运输，但成本太高．对和水电而言水力资源无法运输．核反应材料运输成本不高，但是如果把核电站建设在大城市对民众的心理压力太大，在以人为本的当今社会是行不通的．所以电厂的选址与相应的资源是关联在一起的．可是用户多集中在大型企业、厂矿和城市等远离资源的地方．所以远距离输电势在必行，那么远距离输电都有哪些要求呢？

从民生角度讲，少停电、电压稳定、电费低廉是我们用电的基本要求．这就是教材中所说的可靠、保质和经济．随着经济社会的发展，目前停电的原因多为线路故障，要提高输电的可靠性，就需要提高线路对风暴、雨水、雷暴和冰雪等自然灾害的抗击力．因此我们的输电系统都安装有先进的防雷雨设施，并且高压线电杆或支架的底座都非常稳固．从前面学习的电路的知识我们知道，线路电压的不稳定主要是由于用户的增减和线路电阻造成的．农村的同学应有体验：在农网改造之前，我们农村在用电高峰时多数电器基本上难以正常使用（当然手电筒除外）．而夜深人静的时候，电灯和电视机等又经常坏掉，那就是因为当时的农网供电质量差的缘故．而且当时的农村用电其单价还高得惊人（同比价格是城镇的4-8倍）．在农网改造中我们增设变压器、加粗输电线如今农网供电的质量与城镇居民用电没有多大差别了，电费单价也与城镇居民一样了．这是为什么呢？

原来从发电厂到用户需要有输电线连接，由于输电线有电阻，因而发电机的输出电压和功率与用户的输入电压和功率并不相同，也就是说在输电线上有电压和功率损失．根据欧姆定律和焦耳定律，输电线上的电压损失可以表示为：①

功率损失可以表示成：②

从①和②两式看无论是减少电压损失还是减少功率损失，减小输电线电阻和减小输电线中的电流都是有效的，尤其是减小电流对能量（功率）损失的减少的效能更加突出．实际中我们用材料导电性较好、价格便宜且质量又轻铝质导线作为高压线，可以使远距离输电线的电阻变得很小．但由于远距离输电传送的功率一般都很大，所以仅仅是输电线电阻较小还不够，我们还希望在功率一定的情况下减少电流，高压输电就是基于这个思路才被人们设计出来的．因为电功率③

因而输电电压提高n倍，电流就会减为原来的1/n，功率损失就是原来的1/n2．也就是说如果把输电电压从5000V提高到50000V，电压提高了10倍．在发电厂输出功率一定的情况下，输电线上的能量损失就只有原来的百分之一．

关于远距离输电的流程可以用图1来表示．从发电机输出的电压不能直接满足远距离输电的要求，所以先用升压变压器提升电压，到达用户后在用降压变压器将高压变用户的实际需要．

关于远距离输电的原理，可以用图2所示来说明．从图2可以看出，升压变压器次级线圈的电流，输电线电流和降压变压器初级线圈的电流是同一个值，因此在解物理题的时候正确地获得输电电流就成了解题的突破口．

典型例题：一小型发电站，发电机的输出电压为250V，输出功率为50kW，现采用10000V的电压输电，输电线电阻为20Ω，用户所需的电压为220V．试问：

⑴所用升压变压器和降压变压器的原、副线圈的匝数比分别为多少？

⑵输电线上损失的功率是发电机输出功率的百分之几？

分析：从输电电压和功率先求出输电电流和电压损失，再结合发电机输出电压及用户需电压就可以求出变压比，有了输电电流损失功率便能方便求出．

解答：⑴根据输电功率可得，输电电流：A

电压损失：V

因此降压变压器的输入电压：V

所以升压变压器的升压比为：

降压变压器的降压比为：

⑵输电线上损失的功率：W

损失的百分比%

思考：1、如果不用高压输电，该发电机能否高效地将电能送出？2、从课堂分析可知，如果输电线没有电阻（使用超导输电）就可以不用高压输电，也能满足远距离输电的要求？请据此谈谈你的看法？3、08年南方的冰雪灾害给输电系统造成了巨大破坏，你认为有哪些方法可使输电线和支撑架不结冰？

显然，正是生产和生活的需要推动着物理学的发展，反过来说物理学的研究成果也促进了生产效率的提高和生活水平的提升．通过本课的学习我们不难发现实现超导输电将是我们未来在材料科学和电能输送领域的重要研究课题．有兴趣的同学请多关注这方面研究的最新成果．无论如何学习物理不能脱离生产和生活实际．